低空航測的系統(tǒng)工程問題分析

田 慧 林宗堅，2 文 曲

（1．北京測科空間信息技術(shù)有限公司，北京100039；2．中國測繪科學(xué)研究院，北京100039）

1 引言

目前，衛(wèi)星遙感和中高空航空攝影經(jīng)常受阻于云霧天氣，而低空航測能回避空中云層的遮擋，以及縮減近地面霧霾對成像光線的衰減度，因而可以成為衛(wèi)星遙感和中高空航測的有效補充手段。不僅如此，當(dāng)實際要求厘米級高分辨率影像或用于構(gòu)建城市建筑物三維景觀模型的影像時，低空航測則成為主流技術(shù)手段。近年來航測無人機系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大加速了低空航測的發(fā)展進程。

然而，低空航測尤其是無人機低空航測，是新近發(fā)展的技術(shù)，其中不少問題還缺乏系統(tǒng)理論的深入研究，因此大多數(shù)情況下，還未列入國家規(guī)模產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)之列。其中至關(guān)重要的是系統(tǒng)工程問題。因此，本文專門研討低空航測的系統(tǒng)工程問題。所謂系統(tǒng)，指的是“具有一定功能的、相互間具有有機聯(lián)系的、由許多要素或構(gòu)成部分組成的整體”［1］。而系統(tǒng)工程則是“協(xié)調(diào)各個元素之間及元素和整體之間的有機聯(lián)系，以使系統(tǒng)能從整體上達到最優(yōu)目標(biāo)”［1］。

2 低空航測的系統(tǒng)工程要素分析

所謂系統(tǒng)工程要素是指這些要素不僅各個存在，而且相互關(guān)聯(lián)、相互制約［2］。低空航測中存在下列相互關(guān)聯(lián)、相互制約的技術(shù)要素。

2.1 低空光學(xué)優(yōu)勢

設(shè)地面上某單元面積正好成像于空中相機的一個感光單元，如圖1所示。根據(jù)光度學(xué)中“照度的距離平方反比定律［3］”，該像元所能接收到的光能量，與相機物鏡中心到地面單元的距離平方成反比，與相機孔徑的平方成正比［3］。

式中，dΦ為地面單元上的光通量，dΦ’為像元所接受到的均光通量，D為物鏡孔徑，H為物鏡中心到地面單元的距離，大致可理解為航高，K為考慮單位換算的常數(shù)［4］。

2.2 低空飛行安全

低空雖然具有光學(xué)優(yōu)勢，但是，用好低空優(yōu)勢是不容易的。最大的困難是低空安全性問題。如果山谷兩邊山高1000m，山谷間能見度500m，欲在500m以下航高飛行，則要求UAV平臺必須很輕、很小、能低速飛行［4］；而固定翼飛機（包括有人機和無人機）的低速航行，則受到很大的安全制約，其航速不得低于Vmin，

式中w為無人機重量，s為機翼面積，ρ為空氣密度，c為該機型的最大升力系數(shù)。式（2）表明，無人機的載荷必須要盡量小，才能更好的實現(xiàn)低空低速飛行，這就對后面要敘述的成像系統(tǒng)提出了輕小型化的要求。

2.3 成像傳感器系統(tǒng)

低空飛行平臺的輕量級要求，對成像傳感器系統(tǒng)形成了很大的制約，即用于低空航測的成像系統(tǒng)必須體積小、重量輕，還要適合高分辨率成像的要求。幸好低空光學(xué)優(yōu)勢提供了使用輕小相機的條件。相機的曝光方程：

式中，F(xiàn)為鏡頭光圈數(shù)，t為快門有效曝光時間（單位：秒），L為被攝景物的光亮度（cd／㎡），S為感光元件的感光度（ASA標(biāo)準(zhǔn)），K為曝光常數(shù)（取K＝12．4）。式（3）左邊為內(nèi)曝光參數(shù)，右邊為外曝光參數(shù)。對于確定的景物和相機，外曝光參數(shù)是確定的，可調(diào)節(jié)的是內(nèi)曝光參數(shù)。舉一實例，設(shè)某一相機，感光度S＝800ASA，視場光亮度L＝250cd／㎡，K＝12．4，取F＝4，則可計算出曝光時間t＝1／1000s。將上式聯(lián)合前面的式（1），可以得出很完整的物理概念。地面物體的光照度越高，攝影航高越低，相機鏡頭孔徑越大，則相機焦距面所能檢測到的光能量就越足，如果相機感光元件的感光度也很高，則就可以把鏡頭光圈數(shù)設(shè)置得很大（即光圈很?。毓鈺r間設(shè)置得很短，這樣，就能獲得高清晰度、高分辨率的影像。而這里面的低航高、大孔徑、曝光時間短，則是低空攝影的三大關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)［4］。

但是使用輕小相機帶來一個嚴(yán)重的問題，這些輕小相機（或稱普通相機）的畸變差很大，大到50～100像元，無法直接利用于測量目的的航空攝影，因此在上天之前，必須對相機進行內(nèi)方位元素（主距f和像主點坐標(biāo)x0，y0）的精確測定和畸變差的檢校［5］。

使用輕小型相機還有另一個技術(shù)問題，即感光面陣尺寸和像場角的問題。多數(shù)普通相機的感光面陣都很?。ɡ?k×4k），這樣就限制了每張像片的信息量，進而限制了成像的分辨率和效率。更嚴(yán)重的是，單個相機的像場角太小，這就影響了航測空三平差的精度。如文獻［6］所述，不同像場角的相對定向精度如表1。

表1 不同像場角下的各相對定向元素的標(biāo)準(zhǔn)差［6］

目前已經(jīng)研制成功組合寬角相機，通過2、4、5、7個相機的組合構(gòu)成特寬角成像系統(tǒng)，有效提高了精度和效率。

2.4 野外控制點

在大比例尺高精度航測（例如1∶500測圖）中，野外控制點不可缺少，而且在這種大比例尺作業(yè)環(huán)境中，用GPS測繪控制點效率很高。真正嚴(yán)格的要求是野外控制點在影像上的“刺點”精度必須高。這在城區(qū)有明顯整齊的地物的情況下不難做到，但在郊野地面則很難精確刺點。因此，研制了人工制作的地面標(biāo)志點板（如圖2），將此板置于地面，并用GPS量測大地坐標(biāo)，則很有助于空中三角測量精度的提高。

2.5 攝影測量軟件

較之衛(wèi)星遙感和中高空航測，低空航測的空中攝影條件要差得多，輕小的飛行平臺難以保證航速的平穩(wěn)和姿態(tài)角的正直，普通相機的大畸變差，及組合寬角影像的復(fù)雜性都大大增添了內(nèi)業(yè)處理的難度。因此，低空航測必須使用在傳統(tǒng)中高空航測基礎(chǔ)上改善了的軟件。同時，適應(yīng)全自動化空三、DEM、DOM的流程需要，必須大大增強影像匹配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為應(yīng)對低空影像投影差比較大、匹配困難的情況，除使用SHIFT等先進方法外，還要改善粗差剔除技術(shù)，充分利用高分辨率明顯地物點數(shù)量多的條件，改進粗差剔除技術(shù)。

3 系統(tǒng)制約與系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)制約是指低空航測系統(tǒng)受到外部環(huán)境的制約，因此必須在受外部制約的條件下，精心優(yōu)化內(nèi)部各因素的組合，使之適應(yīng)外部環(huán)境，使系統(tǒng)目標(biāo)得以實現(xiàn)。

3.1 空管制約及對策

盡管世界各國都在研究出臺開放低空的政策，但是，由于低空航飛涉及國家安全和公共安全的許多領(lǐng)域，因此，實際出臺的政策會是逐步推行的，近期內(nèi)的限制還是比較嚴(yán)格的。針對此情況，低空航測系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該把這種制約考慮在其中。

（1）起飛重量小于15千克的無人機系統(tǒng)

目前世界上許多國家普遍認(rèn)可對公共安全不會造成嚴(yán)重威脅的低空無人機系統(tǒng)是起飛重量小于15kg（或飛行器自重小于7kg）、飛行高度小于400ft（或150m），飛行器離地面操作人員的距離不超過500m。這類飛行器可不必申請空域，也不要求地面操作員的業(yè)務(wù)資質(zhì)，是目前全世界已經(jīng)完全開放的無人機低空系統(tǒng)。這類飛行器的制造已經(jīng)很成功，其中尤以多旋翼機最為適用，但是，與這類飛行平臺相匹配的成像系統(tǒng)則檔次太低，一般就是把一個普通相機直接掛上去。對測繪用途而言，水平太低，急需研制能適應(yīng)這種1～2kg載荷量限制的，精度較高、效率較高的成像系統(tǒng)。

（2）城市低空飛艇航測系統(tǒng)

澳大利亞民用航空安全局（CASA），認(rèn)定低空飛艇是城市人口密集區(qū)最安全的低空飛行器，中國空管部門也認(rèn)可裝載有應(yīng)答機的無人飛艇在城市航飛，并且給有人駕駛低空飛艇頒發(fā)了適航證。這類飛行平臺可載20～50kg的任務(wù)載荷，很適合裝載組合寬角相機和Lidar設(shè)備，進行低空大比例尺（1∶2000，1∶1000，1∶500）的航測作業(yè)。

（3）航空保障型固定翼無人機系統(tǒng)

這類無人機具有比較完善的設(shè)計及雙余度安全保障，允許在民用機場起降，允許在空中航線遠(yuǎn)距離飛行，任務(wù)載荷是在60～100kg，因此很適合裝置組合寬角相機、Lidar、視頻攝像機、紅外相機、微型SAR等多種成像傳感器系統(tǒng)，以適應(yīng)省域規(guī)模的每年度基礎(chǔ)測繪和地理國情監(jiān)測，也適合大型災(zāi)害的緊急救援測繪工作。

（4）有人駕駛飛機的低空航飛系統(tǒng)

按照有人駕駛飛機必須有300m高度安全保障的標(biāo)準(zhǔn)要求，在大城市地區(qū)，有人駕駛飛機的航飛高度一般很難低于600m，因此必須配備長焦距的組合寬角相機，同時可搭配Lidar系統(tǒng)。但是，由于有人機飛行速度很難低于100km／h，因此，在一般ISO等于1000，曝光時間1ms的情況下，若使用一般面陣相機，其速度引起像點位移將達3cm，這必須納入系統(tǒng)目標(biāo)的考慮之中，即這種系統(tǒng)在沒有像移補償裝置的情況下，不適合做高于5cm分辨率的航空攝影業(yè)務(wù)。

（5）微小型固定翼無人機系統(tǒng)

盡管國家的低空開放政策逐步放寬對無人機低空航飛的限制，然而，這類無人機由于其設(shè)計簡單、低成本制造等原因，公共安全保證度比較低，不適合于在人口密集區(qū)低空航飛。但是，它適合于在曠野地區(qū)，完成精度要求稍低的任務(wù)，而顯示其低成本、高靈活性之優(yōu)勢。這類飛行平臺裝配雙鏡頭組合寬角相機可成倍提高飛行效率；裝配四鏡頭組合寬角相機還能成倍提高測繪精度。

3.2 高精度目標(biāo)及系統(tǒng)優(yōu)化

低空航測作為衛(wèi)星遙感和中高空航測的補充手段，其優(yōu)勢在于低空高精度。因此，高精度是低空航測的系統(tǒng)目標(biāo)。應(yīng)該向著這個目標(biāo)實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

在給定航高，給定相機分辨率的情況，面向高精度目標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化，有兩項有效措施。一是前面提到的做高精度的地面標(biāo)志點；另一個措施是增加航向成像重疊度。這樣既不增加成本，又有效提高精度。其成功實例在后面給出。

3.3 組合寬角相機與Lidar的集成系統(tǒng)

Lidar技術(shù)的優(yōu)點在于相對高度的量測精度高，可達1～2cm；但是，絕對高度和平面位置的量測精度低。因為后兩者受到POS精度和穩(wěn)定平臺性能的影響。尤其是姿態(tài)角量測的誤差被航高所放大，顯著降低于激光腳點的平面精度。而且航高增大，腳點直徑增大，也降低其平面定位精度。

與之對比，寬角相機則平面精度高，而高程（尤其是高程差）的精度較Lidar低。因此把兩者結(jié)合起來就能實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。市場上現(xiàn)有涉及Lidar系統(tǒng)都是只裝配窄角的單鏡頭相機，起不到上述的優(yōu)化集成效果。必須配備組合寬角相機，通過寬角實現(xiàn)外方位元素解算的高精度，同時，把Lidar所量測的距離值參加進光束法空三平差解算中，才能真正提高精度。

3.4 正直攝影與傾斜攝影的組合寬角相機集成

現(xiàn)代城市建筑物三維建模的需求迅速增長，為航空傾斜攝影提供了廣闊的市場前景。但是，如果把低空高分辨率的正直攝影與傾斜攝影通過組合寬角相機的形式集成起來，則是一種很好的系統(tǒng)優(yōu)化形式。這樣就可以通過一次航飛，同時完成大比例（例如1∶500）高精度測圖和城市景觀三維建模［7］的雙重任務(wù)。而且技術(shù)上可相互支撐，精度和效率都能提高。

4 工程實例分析

4.1 增加重疊度，提高精度

不同重疊度影像平差精度對比試驗：選取兩條相鄰航帶共10張影像，修改像對間平均重疊度，利用攝影測量空三平差軟件MAP－ATM進行空三加密。結(jié)果表明影像重疊度越高，平差精度越高，如表2。

表2 不同重疊度下空三平差精度［6］

4.2 組合寬角相機與Lidar集成系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)樣機如圖3。

圖3 寬角激光組合相機系統(tǒng)

4.3 無人飛艇低空航測系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)備

（2）精度測試

中國測繪科學(xué)研究院和中國特種飛行器研究所聯(lián)合研發(fā)的無人飛艇低空航測系統(tǒng)由無人駕駛飛艇（圖4）、LAC低空相機系統(tǒng)（圖5）和MAPAT現(xiàn)代空中三角測量軟件三部分，加地面運輸車、艇庫、氦氣回收機等輔助設(shè)備組成。經(jīng)工程實踐驗證，其成果能達到1∶1000和1∶500地形圖測繪的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已開發(fā)出全生產(chǎn)過程的工藝技術(shù)，可適用于城市密集區(qū)大比例尺地形圖測繪、市情監(jiān)測等任務(wù)。

經(jīng)荊門宏圖機場測試結(jié)果，控制點平均中誤差平面為0．05米、高程為0．074米，滿足1∶500測圖要求（表3）。

表3 精度測試

（3）運城三維數(shù)字城市建設(shè)

無人機載五鏡頭組合寬角相機獲取“一飛兩用”影像，實現(xiàn)1∶500測圖和建筑物三維建模雙重任務(wù)。

5 結(jié)論

以上研討說明，低空航測具有許多不同于衛(wèi)星遙感和中高空航測的技術(shù)特點，包括運行環(huán)境、工程目標(biāo)、所采用的技術(shù)方法及實踐效果等方面。而構(gòu)成此全過程的諸多因素是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的。因此必須用系統(tǒng)工程學(xué)的方法，分析系統(tǒng)組成及相互關(guān)聯(lián)性，進行系統(tǒng)優(yōu)化，以達到適應(yīng)環(huán)境、實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)之目的。